小学生にもわかる『多孔性材料』

⭐︎多孔性材料とは？

「多孔性（たこうせい）」とは、「たくさんの小さな穴（あな）がある」という意味です。
つまり多孔性材料とは、目には見えにくいほど小さな穴が無数にあいた材料のことです。
たとえば、**スポンジ・炭（すみ）・軽石（かるいし）・活性炭（かっせいたん）**などが身近な例です。

🔍どんな特徴があるの？

軽い！
　中がスカスカなので、同じ大きさでも重さがとても軽くなります。
吸う力が強い！
　穴がたくさんあるので、水やにおい、ガスなどをよく吸い取ります。
　→ だから、**消臭剤（しょうしゅうざい）や空気清浄機（くうきせいじょうき）**にも使われます。
表面積（ひょうめんせき）が広い！
　小さな穴の中までふくめると、表面の面積がとても大きくなります。
　この性質は、化学反応を起こすときにとても便利です。
　→ **触媒（しょくばい）**として使われることもあります。

⚙️どうやって作るの？

材料の中に、気体や液体を入れてふくらませたり、
一部をあとで溶かしたりして、穴を作ります。
最近では、**ナノレベル（10億分の1メートル）**の穴をもつ人工の多孔性材料も作られています。
たとえば「MOF（モフ）」や「ゼオライト」という材料が有名です。

🌏どこで使われているの？

冷蔵庫や空気清浄機の脱臭フィルター
工場の汚れたガスをきれいにする装置
水のろ過装置（ろかそうち）
医療での薬の吸着材
宇宙開発では**ガスの貯蔵（ちょぞう）**にも！

⭐︎いつ誰が見つけた？

多孔性材料そのものは、自然の中にもともと存在していたんです。
たとえば、**軽石（かるいし）や炭（すみ）**などは、昔の人がすでに利用していました。
ですから、「誰が最初に見つけた」というよりも、人類が自然の中で発見して使い始めたものなんです。

🏺古代の利用

古代エジプトやローマ時代には、炭を「水をきれいにする」ために使っていました。
　これが、多孔性材料の最初の利用例だと考えられています。
軽石も昔から使われており、お風呂や掃除などに使われていました。

🧫科学的な発見

本格的に「多孔性材料」として研究が進んだのは、19世紀（1800年代）ごろです。
科学者たちが、炭や鉱物の中にたくさんの小さな穴があることを顕微鏡で確認しました。

その後、

1900年代前半：「ゼオライト」という天然の多孔性鉱物が発見され、人工的にも作れるようになりました。
1990年代：「MOF（Metal–Organic Frameworks）」という新しい人工多孔性材料が発明されました。
　これは、ナノサイズの穴をもつ画期的な材料です。

🌏まとめると…

時代	出来事
古代	炭や軽石などの自然の多孔性材料が使われる
1800年代	科学者が「穴のしくみ」を研究し始める
1900年代	ゼオライトなど人工の多孔性材料が開発される
1990年代	MOFが発明され、ナノレベルの材料へ進化

このように、多孔性材料は「自然の知恵」から始まり、「科学の力」でどんどん進化してきたんです。

⭐︎ナノサイズとはどのくらいの大きさ？

「ナノサイズ」というのは、とてもとても小さい世界の単位のことです。

🔬ナノとは？

「ナノ（nano）」は、ギリシャ語で「とても小さい」という意味です。
1ナノメートル（nm）は、
👉 **1メートルの10億分の1（＝0.000000001メートル）**の長さです。

📏わかりやすく比べると…

もの	大きさ（だいたい）
人の髪の毛の太さ	約70,000〜100,000ナノメートル
バクテリア（細菌）	約1,000ナノメートル
ウイルス	約100ナノメートル
DNAの太さ	約2ナノメートル
原子1個	約0.1ナノメートル

つまり、
ナノサイズは原子や分子とほぼ同じスケールなんです。
人の目ではもちろん見えませんし、普通の顕微鏡でも見えないほど小さいです。

🧱MOFの「ナノサイズの穴」

MOFの穴（孔：あな）は、だいたい
👉 1〜10ナノメートルくらいの大きさです。

このくらいの穴だと、

二酸化炭素（CO₂）や水素（H₂）などの小さな分子が入れる
でも大きな分子は通れない
という、「分子をふるい分ける」ことができます。

まるで、**分子の世界の“ざる”や“スポンジ”**のような働きをしているんです！

🌍まとめ

項目	内容
1ナノメートル	1メートルの10億分の1
髪の毛との比べ	髪の毛の約10万分の1
MOFの穴の大きさ	約1〜10ナノメートル
特徴	分子レベルで物質を吸着・ふるい分けできる

⭐︎MOFはどうやって作る？

MOF（メタル有機構造体）は、とても細かい工夫をして作られるんです。
では、小学生にもわかりやすく説明します。

🧱MOFの材料（ざいりょう）

MOFは、主に2つのパーツからできています。

金属イオン（きんぞくイオン）
　→ たとえば、**亜鉛（Zn）・銅（Cu）・鉄（Fe）・ジルコニウム（Zr）**などです。
　これが“柱（はしら）”のような役わりをします。
有機分子（ゆうきぶんし）
　→ 炭素や水素をふくむ分子で、“つなぐ棒（ボルトやパイプ）”のような役わりです。

この2つをうまく組み合わせて、まるで「分子のレゴブロック」のように立体的な骨組みを作ります。

⚙️MOFの作り方（基本の流れ）

🧪 金属と有機分子を液体の中にとかす
　→ お湯のような「溶液（ようえき）」にして、よくまぜます。
🔥 加熱（かねつ）して反応させる
　→ 100〜200℃くらいにあたためると、金属と有機分子がつながって、
　　自然に「多孔性の骨組み」ができあがります。
　　このとき、小さな結晶（けっしょう）が生まれます。
💧 洗って乾かす
　→ できたMOFを溶液から取り出し、不要なものを洗い流して乾かします。
🔍 できあがり！
　→ ナノサイズの穴をもつ、きれいな結晶構造が完成します。

🧠 どうしてそんなにきれいな構造になるの？

分子どうしが「自分たちで一番安定な形」を選んで組み合わさるからです。
これを自己組織化（じこそしきか）といいます。
つまり、化学反応をうまくコントロールすると、分子が自分で美しい形を作ってくれるのです。

🔮最近の作り方の進化

🌍まとめ

工程	内容
1. 溶かす	金属と有機分子を液体にまぜる
2. あたためる	分子がつながって骨組みを作る
3. 洗う・乾かす	余分なものを取りのぞく
4. 完成！	ナノサイズの穴をもつMOFができる

⭐︎水やにおいを吸い取って、逃げていかない？

💧1. 吸い取るとはどういうこと？

多孔性材料（たこうせいざいりょう）やMOFの中には、
目に見えないほど小さな「穴（あな）」がたくさんあります。
この穴の中に、水やにおいの分子が**入り込んでくっつく（吸着する）**んです。

この「くっつく力」は、

分子どうしが引き合う**分子間力（ぶんしかんりょく）**や、
電気的な引きつけ合い（＋と−の力）

によって働いています。

🚫2. 逃げていかない理由

いったん穴の中に入ってくっついた分子は、
中がせまくて出にくいうえに、くっつく力が強いので、
ふつうの温度ではほとんど逃げていきません。

たとえば：

**活性炭（かっせいたん）**がにおいを吸って、しばらくにおいが消えるのはこのためです。
**シリカゲル（乾燥剤）**が水を吸っても、自然にはすぐ乾かないのも同じしくみです。

🔥3. でも、加熱すれば出ていく！

ただし、温度を上げる（あたためる）と、
分子が動きやすくなり、くっつく力よりも動く力が強くなるので、
吸い取った水やにおいが外に出ていきます。

これを「脱着（だっちゃく）」といいます。
この性質を利用して、
何度も「吸う → 放す → また吸う」という再利用ができるのです。

🌍4. まとめ

状況	分子はどうなる？
吸着中（ふつうの温度）	穴の中にくっついて逃げない
加熱すると	外に出ていく（脱着）
冷ますとまた吸える	くり返し使える！

つまり、
多孔性材料は「吸い取って終わり」ではなく、
温度や条件を変えると、“出したり吸ったり”をコントロールできるすごい材料なんです。

⭐︎多孔性材料を自分で作るには？

「多孔性材料を自分で作る」ことは、実は小学生でも安全な方法で小さな実験ができます。
もちろん、MOFのようなナノレベルのものは難しいですが、身近な多孔性材料なら作ることができます。

🧽① スポンジやパンで「多孔性」を体験！

いちばんかんたんな方法は、気泡（きほう）を材料に入れることです。
つまり「中に空気の穴を作る」んです。

🔬実験例：ふくらし粉パン実験

用意するもの

小麦粉・水・ベーキングパウダー（ふくらし粉）
ボウル・スプーン・オーブン

やり方

材料をまぜて生地を作ります。
焼くと、ベーキングパウダーの中の二酸化炭素（CO₂）が出て、
　中にたくさんの穴ができます。

これでできる「パン」や「カステラ」も、立派な多孔性材料です！

🧠ポイント：穴があることで、やわらかく軽くなります。

🌋② 石こうやセメントで「気泡入り材料」

学校の図工や理科でもできる実験です。

用意するもの

石こう（またはセメント）
水
少しの洗剤（せんざい）

やり方

石こうに水を入れてまぜる。
ほんの少し洗剤を入れてよくかきまぜる（泡を入れる）。
固めると、中に小さな泡の穴が残ります。

これで、軽石（かるいし）のような多孔性の固まりができます。

🧫③ 活性炭で「吸う多孔性」を観察！

用意するもの

市販の活性炭（魚の水槽や冷蔵庫用でもOK）
においのする液体（しょうゆ・香水など）
透明な容器

やり方

においのする液を小びんに入れます。
となりに活性炭を入れた容器を置く。
しばらくたつと、においが減ります。

👉 これは活性炭の「多孔性」がにおいの分子を吸着したためです。

⚙️④ 高学年〜中学生向け：紙や粘土で再現

ティッシュを水にぬらして乾かすと、微細なすき間ができます。
紙粘土をこねて、砂や塩を混ぜて焼き、あとで砂や塩を洗い流すと、
　塩のあった場所が穴になって多孔性になります。

（※この方法は熱を使うので、大人の人と一緒にやりましょう）

🌍まとめ

方法	材料	特徴
パンづくり	ベーキングパウダー	ガスで穴を作る
石こう＋洗剤	石こう・泡	固い多孔性体
活性炭の実験	活性炭	吸着のはたらきを観察
粘土＋塩	粘土・塩	穴のある人工石を作れる

つまり、**多孔性材料は「穴をどう作るか」で決まる」**んです！
自然の力（ガス・泡・水・塩）をうまく使えば、だれでも作ることができます。

⭐︎今後どうなる？

「今後、多孔性材料（たこうせいざいりょう）はどうなるのか？」というのは、今まさに世界中の科学者が考えているテーマです。
これからの未来を、わかりやすく説明します。

🌏① 環境を守るための材料に

多孔性材料は、地球温暖化（ちきゅうおんだんか）を防ぐカギになるかもしれません。
たとえば――

二酸化炭素（CO₂）を吸い取ってためる
空気中の有害ガスをきれいにする
水をきれいにろ過（ろか）する

など、地球の空気や水を守るために使われるようになります。
とくにMOF（モフ）は、CO₂を吸着（きゅうちゃく）する力がとても強いので、
未来の「空気のそうじ機」や「地球のフィルター」として活躍するかもしれません。

⚡② エネルギーの時代を変える

多孔性材料は、エネルギーの貯金箱のようにも使えます。

水素（H₂）を安全にためるタンク
リチウムイオン電池の新しい電極材料
燃料電池や太陽電池の効率アップ

こうした応用で、「電気をためる・運ぶ・作る」技術がもっと進化します。

💊③ 医学や食べ物にも応用！

薬をゆっくり放出するカプセル（体の中で必要なときだけ薬が出る）
においを吸い取る保存材（食品を長持ちさせる）
細菌やウイルスを捕まえるフィルター

といったように、人の健康や安全にも役立ちます。

🧠④ AI＋材料科学の時代へ

最近は、AIが多孔性材料の設計を手伝っています。
AIが計算で「どんな分子を組み合わせれば一番よく吸うか」を予測し、
人間がそれを実験で確かめる――という人とAIの共同研究が進んでいます。

未来では、AIが「地球や人に合わせた材料」を自動でデザインするようになるかもしれません。

🚀⑤ まとめ：未来の多孔性材料

分野	未来の使い方
環境	CO₂を吸着して温暖化を防ぐ
エネルギー	水素をためる・電池を進化させる
医療	薬を運ぶ・病気を防ぐ
生活	におい・水・空気をきれいにする
科学	AIが新しい材料を設計する

つまり、多孔性材料はこれからの地球を救うヒーローのような存在です。
空気・水・エネルギー・健康――あらゆる分野で活やくする未来が待っています。 🌍
✨

Na design